袁虎，楊金泉，廖廷釗

大理白族自治州人民醫(yī)院 a. 放療中心；b. 設備科，云南 大理 671000

引言

放射治療的放射線包括光子束與粒子束，其中光子束分為X 射線和γ 射線，直線加速器是產(chǎn)生高能電子束和光子束的主要設備。醫(yī)用電子直線加速器是目前國內(nèi)放射治療的主流大型醫(yī)用設備[1]，屬于國家二類醫(yī)療器械。直線加速器的配比越來越高，隨之而來的是直線加速器的故障現(xiàn)象也會增多。瓦里安直線加速器故障后提示GFIL 連鎖，屬于常見的加速器故障，本文闡述與瓦里安加速器GFIL 相關(guān)的電子槍燈絲電壓控制系統(tǒng)的原理，通過對瓦里安直線加速器中的Clinac 21EX 機型9 年內(nèi)發(fā)生的GFIL 連鎖故障進行全面的詳細分析，得出故障占比較高的類型，提醒發(fā)生GFIL 故障時特別注意占比高的故障，以幫助快速解決問題，并進一步分析故障現(xiàn)象和處理方法，為同類型的瓦里安直線加速器提供維修參考。

1 工作原理

直線加速器放射線的產(chǎn)生首先是電子槍發(fā)射電子，電子經(jīng)加速管和RF 射頻系統(tǒng)進行加速[2]，成為高能電子，高能電子打靶產(chǎn)生高能光子線或不打靶直接輸出高能電子線，通過加速器的束流系統(tǒng)和準直系統(tǒng)進行束流準直后從機頭輸出，從而實現(xiàn)對患者的治療[3]。

電子槍的工作原理如下：電子槍燈絲加熱陰極，陰極發(fā)射電子并維持負的靜電壓，柵極利用比陰極更低的負電壓，阻止電子束向陽極運動，從而達到控制電子束的目的。電子槍的燈絲電壓控制分熱端高壓控制和冷端低壓控制兩大模塊[4]。熱端高壓控制中的主要板件有熱端低壓電源供應板（Low Voltage Power Supply 板）、燈絲電源板（Filament Power Supply 板）、槍驅(qū)動脈沖板（Gun Driver Pulser 板）和熱端板（ Hot Deck Backplane板）；冷端低壓控制中的主要板件有電源供應板（Power Supply 板）、脈沖控制板（Pulse Control 板）和槍控制板（Gun Controller 板）。GFIL 連鎖主要監(jiān)測燈絲電壓和柵極電壓，描述提供給電子槍相關(guān)電壓的故障[5]，圖1 為GFIL 連鎖故障傳輸簡圖。

圖1 GFIL連鎖故障傳輸簡圖

電子槍的燈絲電壓信號由Filament Power Supply板監(jiān)測并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后通過光纖P11～P15 傳回冷端控制背板，再傳到Gun Controller 板；柵極電壓由槍驅(qū)動脈沖板通過光纖P10 和P16 傳回冷端控制背板，再經(jīng)過控制板來控制電子槍工作[6]。其中任一燈絲電壓、柵極脈沖電壓的異常都會引發(fā)GFIL 連鎖[7]，并通過冷端槍控制板傳到槍驅(qū)動背板，進而通過W30 電纜傳輸?shù)綑C架的Gantry Patch Panel 板，再經(jīng)W32 電纜傳輸?shù)綑C座部分的Stand，最后傳輸?shù)娇刂婆_Console，并在控制臺電腦屏幕顯示GFIL 連鎖。當GFIL 連鎖發(fā)生且冷端Gun Controller 板顯示面板可正常顯示時，會在Gun Controller 板的屏幕上顯示相應的錯誤信息。工程師可根據(jù)錯誤信息和圖紙解析大致判斷出故障發(fā)生的原因，從而進一步深入分析故障。

2 故障匯總

本院瓦里安21EX 直線加速器自使用以來，每次故障都會詳細的記錄，統(tǒng)計9 年發(fā)生的GFIL 連鎖故障如表1 所示，統(tǒng)計本院瓦里安21EX 加速器2014—2022 年共發(fā)生GFIL 連鎖18 次，按照最后確定的故障部件將其分為5 大類故障類型， 2018 年未發(fā)生此類故障，當設備使用到第8 年后故障占比逐漸升高，分析為一些不易損壞的部件開始老化。其中故障類型二和故障類型三占GFIL 故障的總占比為77%，說明Low Voltage Power Supply 板和Filament Power Supply板這兩個板件易損壞，建議做好硬件的儲備，減少故障停機時間，提高維修效率。

表1 GFIL故障匯總表

3 故障類型一：冷端Power Supply板故障

3.1 故障現(xiàn)象

控制臺報GFIL 連鎖，拆開冷端蓋板，可直觀冷端的控制電路部分，當Power Supply 板發(fā)生故障時，S1、S2、S3 三個開關(guān)雖處在ON 打開狀態(tài)時，但DS1、DS2、DS3 三個指示燈全熄滅，測量+5 V、+15 V、-15 V電壓均為零。

3.2 分析與維修

Power Supply 板故障，共發(fā)生過兩次，在GFIL 故障中占比11%。第一次發(fā)生時拆下板件，測量保險，發(fā)現(xiàn)F1—1.5A 125V 保險燒斷，見圖2。

圖2 Power Supply板-保險

找到類似保險更換后，插回板件，DS 指示燈正常，測量輸出電壓正常，設備故障修復。第二次發(fā)生故障時，測量保險F1～F4 一切正常，查看圖紙Power Supply 板的PS1 模塊是主要的交流轉(zhuǎn)直流的變壓部件[8]，將模塊拆下，直接在模塊輸入端接上交流電后測量輸出端無直流輸出，懷疑其損壞，見圖3。在網(wǎng)上查找無此模塊出售，只能和廠家購買整塊Power Supply 板，更換板件后，故障解決，設備正常。

圖3 PS1-變壓模塊

4 故障類型二：熱端Low Voltage Power Supply 板故障

4.1 故障現(xiàn)象

開機晨檢時控制臺報GFIL 連鎖，或治療過程中報GFIL 連鎖。拆開冷端蓋板看冷端控制板板件中的Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D +，拆開熱端蓋板看熱端散熱風扇不轉(zhuǎn)。

4.2 分析與維修

Low Voltage Power Supply 板故障自本院21EX 加速器使用以來共發(fā)生8 次，類型占比最高為44%。Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示均為HD A/D +,可通過查看瓦里安配套圖紙了解代碼信息，常見提示信息如表2 所示。

表2 Gun Controller板提示信息表

通過表2 信息提示，可看出HD A/D +是提示熱端A/D 轉(zhuǎn)換自檢失敗并已超限，熱端散熱風扇不轉(zhuǎn)，說明熱端已斷電自我保護，斷電保護懷疑此故障與電壓有關(guān)。分析熱端總體框圖，熱端的低壓電源由Low Voltage Power Supply 板即低壓電源供應板提供。具體查看詳細原理圖紙，熱端Filament Power Supply 板的原理圖上顯示板件上有5 V 電、+15 V 電和-15 V 電的測量點[9]，并可通過測量（圖4）測量點TP 之間的電壓值，判斷低壓電源供應板的供電是否正常。

圖4 熱端Filament Power Supply板測量點

咨詢廠家工程師，正常的TP1～TP2 之間電壓約5 V，TP1～TP4 之間電壓約16 V。此故障發(fā)生時，先通過逆時針微調(diào)（圖4）Low Voltage Power Supply 板的電位器[10]，即可恢復供電，解鎖保護狀態(tài)，然后再進行電壓測量。分析8 次故障時測量的電壓記錄，總結(jié)如下：此故障發(fā)生時測得TP1～TP2 之間電壓均小于標準的5 V 約5%，同時測得TP1～TP4 的電壓均與標準的16 V 偏差超過±5%，超過這個范圍基本就會報連鎖。由此可判斷電壓異常應與Low Voltage Power Supply 板的供電有關(guān)，因瓦里安廠家配套圖紙中無Low Voltage Power Supply 板圖紙，拆下低壓電源供應板件觀察實物（圖5），當調(diào)整完電位器并重新打開冷端Power Supply 板S 開關(guān)上電測試后，圖4 熱端Filament Power Supply 板測得的電壓會發(fā)生變化。反復調(diào)整電位器，使TP1～TP2 的電壓盡可能接近5 V，同時TP1～TP4 的電壓盡可能接近16 V，觀察連鎖是否消失，連鎖消失說明Low Voltage Power Supply 板還可用，如調(diào)整后連鎖無法消失，只能修復或更換Low Voltage Power Supply 板。觀察實物板件，板件中有KA7915 等三端穩(wěn)壓器，三端穩(wěn)壓器主要起15V 電的穩(wěn)壓作用，更換三端穩(wěn)壓器后再上機測試Low Voltage Power Supply 板，測量點TP1～TP2，TP1～TP4 的電壓能穩(wěn)住且沒觸發(fā)GFIL連鎖說明板件已修復。通過更換KA7915 成功修復一塊Low Voltage Power Supply 板，但因長時間暴露在輻射環(huán)境中Low Voltage Power Supply低壓電源供應板中的電容、三端穩(wěn)壓器等器件容易損壞，幾個月后又發(fā)生同樣故障，屬故障率較高的配件，因此第二次同樣故障發(fā)生時購買新的Low Voltage Power Supply 板進行更換。

圖5 Low Voltage Power Supply板的電位器

5 故障類型三：熱端Filament Power Supply板

5.1 故障現(xiàn)象

故障類型三現(xiàn)象與類型二現(xiàn)象相似，晨檢或治療中控制臺報GFIL 連鎖。但故障類型三發(fā)生時冷端Gun Controller 板顯示屏顯示的信息每次均不同[11]，有HD A/D +，HD GND 或Grid +等， GFIL 連鎖有時會一直存在，有時會時不時閃爍。

5.2 分析與維修

首先參考故障類型二排除Low Voltage Power Supply板故障，先測量熱端Filament Power Supply 板TP1～TP2之間的5 V 電壓和TP1～TP4 之間的16 V 電壓，電壓均正常即排除了Low Voltage Power Supply 板的故障[12-13]。根據(jù)表1 信息，HD A/D +、HD GND 和Grid +均為是指熱端的故障，最終均傳回到冷端的信號異常。為快速解決故障，接下來逐一查看現(xiàn)有的熱端剩余板件，瓦里安廠家裝機時原配的熱端板件備件中，有兩塊板件——Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，逐一更換試機，此類型故障發(fā)生后都是更換Filament Power Supply 板后解決，說明此類故障與Filament Power Supply 板相關(guān)。故障解決后查看Filament Power Supply板原理圖紙，主要部件原理框圖如圖6 所示。

圖6 Filament Power Supply板信號輸出簡圖

燈絲電源板信號經(jīng)放大、穩(wěn)壓等處理，最后都來到U2 芯片（TLC1541IN），查找U2 芯片資料，資料顯示U2 芯片為A/D 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，完成轉(zhuǎn)換后經(jīng)與非驅(qū)動器U3（75452）芯片再經(jīng)發(fā)射器 (HFBR1531）連接光纖然后直接傳回冷端。懷疑U2——A/D 轉(zhuǎn)換器壞引發(fā)的故障，購買芯片更換后，再試機，未出連鎖。說明板件里的U2——A/D 轉(zhuǎn)換器確實故障，直接更換后即可修復，修復后作為備用板件使用。

6 故障類型四：熱端底板 Hot Deck Backplane 板故障

6.1 故障現(xiàn)象

控制臺GFIL 連鎖時不時閃現(xiàn)，無法出束，Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D -，返回控制臺按Enter 后或經(jīng)急停重啟后連鎖或可消失。如不能消失等待5 min，再次急停再次開機又正常，報警消失。

6.2 分析與維修

因連鎖時有時無懷疑接觸不良或電源不穩(wěn)定，且連鎖出現(xiàn)時Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D -，懷疑Filament Power Supply 電壓被拉低，參照故障類型二拆開熱端測量（圖4）Filament Power Supply板TP1～TP2 之間的電壓為4.78 V 和TP1～TP4 電壓為16.06 V，電壓還在正常范圍，Low Voltage Power Supply板不需更換。微調(diào)大5 V 電壓接近5 V，16 V 不超5%后繼續(xù)觀察使用。觀察結(jié)果為報錯規(guī)律與微調(diào)電壓前一樣，說明此故障與Low Voltage Power Supply 板的電源供應無關(guān)。為快速判斷故障，逐一更換手里有的熱端備件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，觀察幾日，無明顯改善，故障現(xiàn)象依舊。此時僅熱端底板Hot Deck Backplane 板未更換，拆下熱端底板，并查看底板圖紙，底板配件不多主要有個變壓器及一些濾波整流的電容，底板主要起板件之間的連接及變壓等作用，無芯片可換，考慮電容等元器件老化。查看實物與圖紙的同時，發(fā)現(xiàn)Hot Deck Backplane 板有多個測量點，安回板件上電，對測量點進行電壓測量，測量點如圖7所示。

圖7 Hot Deck Backplane板測量點

經(jīng)多次測量分析TP1～TP2 之間電壓不穩(wěn)，在120～140 V 之間波動，波動較大，查看原理圖紙，電壓應穩(wěn)定在120 V 左右，懷疑底板故障。考慮板件中電容較多，設備使用年限較長，懷疑電容老化或板件之間的接觸不良，為降低故障停機時間，且手中無備件可換，無法驗證是否屬底板問題，決定購買新的Hot Deck Backplane 板。更換后連鎖未再出現(xiàn)，故障解決。舊板件拆下后將電容C3（4.7 μF/250 V）焊下測量時，電容測量為4.37 μF，懷疑其老化不穩(wěn)定，更換電容，待下次試機驗證。

7 故障類型五：機架Gantry中的Gantry Patch Panel板故障

7.1 故障現(xiàn)象

機架轉(zhuǎn)動時會時不時引發(fā)GFIL 連鎖，發(fā)生連鎖后打開冷端看Gun Controller 板顯示屏顯示的信息為IL0,Mode Err。

7.2 分析與維修

冷端Gun Controller 板顯示屏顯示的信息為IL0,Mode Err，通過表2 信息提示可看出，此信息表述的是模式錯誤，在控制臺切換不同模式的能量，切換時已聽見氣閥的聲音，但顯示信息依舊，說明能量確實已切換但信息無法傳輸?shù)娇刂婆_。再分析此故障在機架轉(zhuǎn)動時引發(fā)，懷疑與機架內(nèi)的信號傳輸線在旋轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生斷路，查看GFIL 信號傳輸框圖，先排查機架旋轉(zhuǎn)時會影響的電纜線——圖1 所示的Gantry 與Stand 之間的W32 信號線[14]。對照圖紙用萬用表逐一測量W32 信號線的兩端，一邊手動拉扯線模擬機架旋轉(zhuǎn)的影響一邊測量看是否導通，結(jié)果并無發(fā)現(xiàn)W32 斷路的異常情況。然后按上述故障類型描述的方法，測量Filament Power Supply 板TP1～TP2 之間的電壓，TP1～TP4之間的電壓并無異常，測量底板Hot Deck Backplane 板TP1～TP2 之間的電壓并無異常，逐一更換備件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，故障依舊，目前為止手上有的備件，且與圖紙中相關(guān)的板件都已更換完。于是又對照GFIL 連鎖故障傳輸簡圖（圖1）和詳細的Gantry Patch Panel 板的原理圖紙，檢查線纜傳輸部分并一路按框圖反向測量信號輸出。先從機架穿線W32與Gantry Patch Panel 板的連接入手，見圖8。

圖8 Gantry Patch Panel板J2針腳簡圖

把穿過機架并與Gantry Patch Panel 板連接的W32線纜的14、15、16、17、19、30、31 等與GFIL 相關(guān)的針腳進行測量，再按瓦里安配套的原理圖紙所示線纜連接從Gantry Patch Panel 板J2 →Gantry Patch Panel板J17 →熱端Gun Driver Backplane 板的J2 →Gun Controller 板的P1（通過插延長板來測量）逐一測量，均導通。說明線和中間的板路均無問題。再次認真研究圖紙，檢查未查到的板路和路線，決定帶電測量電壓看信號傳輸中斷位置，注意此時用萬用表帶電測量時切不可短路針腳以免引起別的故障，按上述路線再次測量，當測量到Gantry Patch Panel 板J17 時，發(fā)現(xiàn)J17 圖紙上的12 角如圖9 所示，+12 V 電——無電壓。

圖9 Gantry Patch Panel板J2針腳簡圖

懷疑Patch Panel 板故障，導致+12 V 傳輸異常所致。因無Gantry Patch Panel 板備件，只能將J2 的8 角+12 V電用電線短接到J17 的12 角。短接后再試機，切換能量模式，此時冷端Gun Controller 板顯示的信息可從IL0～IL2 之間切換，但GFIL 連鎖還未消除，再認真觀察，發(fā)現(xiàn)冷端Power Supply 板的DS2 燈不亮，拔出Power Supply 板按故障類型一方法檢測，發(fā)現(xiàn)一2 A 的保險燒斷，懷疑可能因中間測量途中短路導致，更換保險后插回，試機正常，GFIL 連鎖消除，故障修復。此次故障過程曲折，耗時較長，但緊緊圍繞原理圖紙逐一分析，將框圖中的板件和導聯(lián)線基本都排除完，最后排查到了不常見的Gantry Patch Panel 板還是將其修復。接下來對臨時短接的Patch Panel 板的J2 和J17 針腳的緊急措施進行分析，分析后期機架旋轉(zhuǎn)過程中如焊點脫落電線短路會造成更大的故障，還是采購了新的Patch Panel 板，新板更換后試機正常，將舊板作為備件使用。

8 討論與總結(jié)

當直線加速器的加速器發(fā)生故障時，將停止放療患者的治療，如長時間停機，從生物學和放射物理學的角度分析，對整個放療進程增加了很多不確定因素，因此，及時快捷的維修對放射治療尤其重要。本文通過對9 年來本院21EX 直線加速器同一個GFIL 連鎖的故障現(xiàn)象、故障分析與維修進行了詳細的描述，并按損壞的硬件將其分為五大類型，依次對各大類型的故障深入分析，提供了快捷的維修方法和典型的板件維修方法，基本囊括了與21EX 加速器GFIL 連鎖相關(guān)的大部分硬件故障。通過上述的維修過程分析，GFIL 連鎖故障占比77%：熱端Low Voltage Power Supply 板故障，主要是因電壓異常導致，所以要調(diào)整電壓或時常測量進行提前預防維護，并做好備件儲備；熱端Filament Power Supply 板故障，主要是涉及信號的轉(zhuǎn)換與傳輸，所以板件也易出現(xiàn)故障。瓦里安Clinac 系列加速器原理類似且廠家都配有相關(guān)原理圖紙，按照同樣的思路，當發(fā)生GFIL 故障時，同系列的設備，工程師可優(yōu)先判斷是否為此兩種故障，其余相似故障亦可借鑒文中的其他類型故障的處理過程并結(jié)合配套圖紙進行深入分析。

作為醫(yī)院的維修工程師，面對大型的進口醫(yī)療器械，平時的知識儲備在設備發(fā)生故障時將深刻體現(xiàn)，故障信息的查詢，維修思路的形成，及原理圖之間的串通，都需要工程師熟練掌握相關(guān)理論知識。扎實的理論基礎(chǔ)能幫助工程師熟練掌握故障的提示信息大致內(nèi)容，快速的查找相關(guān)錯誤信息，了解信息傳輸?shù)目傮w框架[15]，準確定位故障所在，再加上工程師的信心、耐心和創(chuàng)新，終能解決故障。除此之外工程師還要對設備做好管理，平時記錄好設備的運行狀態(tài)，做好設備的維護，故障發(fā)生時詳細記錄每次維修過程，更要根據(jù)設備的運行情況做好常用備件的儲備[16]，這樣才能快速的解決故障，為醫(yī)院和患者提供更換的服務。